DE3222008A1

DE3222008A1 - Hydrostatischer oder pneumatischer antrieb sowie verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE3222008A1
Application number: DE3222008A
Authority: DE
Inventors: Ronald 9242 Oberuzwil Siegrist
Original assignee: SPERRY VICKERS; Sperry Vickers Zweigniederlassung Der Sperry GmbH
Current assignee: SPERRY VICKERS; Sperry Vickers Zweigniederlassung Der Sperry GmbH
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-12-15
Also published as: CA1206065A; EP0097275B1; AU562785B2; EP0097275A1; DE3361061D1; US4563939A; AU1549983A; JPS596402A

Description

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Hydrostatischer oder pneumatischer Antrieb sowie Verfahren

zu seinem Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydrostatischen oder pneumatischen Antrieb für zu beschleunigende und abzubremsende Massen, insbesondere in Druck- und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen Motor, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung zur Abgabe eines Arbeitsstroms steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung der Ventilanordnung, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb dieses Antriebs.

In Druck- und Spritzgießmaschinen wird eine ruhende oder bewegte Masse mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit angetrieben, um auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht zu werden. Hierzu wird beispielsweise eine Drossel zunehmend aufgesteuert, um einen wachsenden Druck an den Kolben anzulegen, der die Masse antreibt. Die Hydraulikflüssigkeit ist jedoch nicht inkompressibel, auch können sich die Komponenten des Antriebs ausdehnen, insbesondere die hydraulischen Leitungen, so daß ein bestimmter Anteil des zugeführten Hydraulikstroms kapazitiv vom Antriebssystem aufgenommen wird und sich nicht unmittelbar in einer Verschiebung der Masse bemerkbar macht. Dieser kapazitiv aufgenommene Hydraulikstrom repräsentiert eine gespannte Feder, die mit der Masse ein schwingungsfähiges Gebilde ergibt. Die Schwingungsanregung ist umso großer, je rascher man auf die gewünschte Endgeschwindigkeit zu kommen wünscht. Wenn man also den Sollwert-Steuergenerator mit einer steilen Rampe zwischen den verschiedenen Sollwerten betreibt, antwortet das System mit schwach gedämpften Schwingungen, d.h. der Druck pendelt sich nur allmählich auf seinen Sollwert ein, ebenso die Geschwindigkeit des Kolbens. In der Praxis wird deshalb eine Rampe in der Größenordnung von 400 ms eingehalten. Ferner ist die Ansicht vertreten worden, daß die Zykluszeit von

Spritzgießmaschinen, in welche die Übergangsbereiche zwischen unterschiedlichen Geschwindigkeiten eingehen, nicht wesentlich reduziert werden kann ("Microelectronics in Injection Molding Machines" von Dr. W. Elbe und R. K. Jackson, Firmenschrift von Mannesmann-Demag und Mannesmann-Demag-Hamilton, insbesondere Seite 4).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik eines hydrostatischen oder pneumatischen Antriebs zu verbessern, um gegebenenfalls die Maschinenzykluszeit zu verkürzen und/oder die Beanspruchungen der Maschine herabzusetzen. Gegebenenfalls kann auch Antriebsenergie eingespart werden, weil zusätzliche, energieverbrauchende Dämpfungsmaßnahmen entfallen können. Im Fall von Druck- und Spritzgießmaschinen kann beispielsweise mit niedrigeren Gegendrücken gefahren werden.

Die Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Antrieb in schema-

tischer Darstellung, Fig. 2 ein Diagramm der Steuerspannung U, des

Arbeitsstroms Q₁,, der zeitlichen Ableitung D des Arbeitsstroms, der zugehörigen Drucks P, des abgeführten Hydraulikstroms

Q, 2> des zugehörigen Gegendrucks G, der Verschiebung S, der Geschwindigkeit V und der Beschleunigung B der Masse über der Zeit in ms,

Fig. 3 ein weiteres Diagramm des Steuerstroms U,

des Arbeitsstroins Q₁₁, des zugehörigen Drucks P, des abgeführten Arbeitsstroms A, des zugehörigen Gegendrucks G und der Geschwindigkeit V über der Zeit t in ms.

Die Hauptkomponenten der in Fig. 1 dargestellten Antriebsanordnung sind eine Kolben-Zylinder-Einheit 1 als hydrostatischer oder Verdrängermotor, eine Pumpe 2 und ein zugehöriges ansteuerbares Druckbegrenzungsventil

3 als eine hydraulische Druckquelle, ein Druckdifferenz-Konstanthalte-Ventil 4, eine elektrisch ansteuerbare Ventilanordnung 5 und ein Sollwert-Steuergenerator 6. An der Kolben-Zylinder-Einheit 1 kann ein Auslaßventil 7 angeschlossen sein. Es versteht sich, daß zur Absicherung des Systems übliche Druckbegrenzugnsventile angeschlossen sein können, die ebenso wie eine weitere Pumpe mit Zusatzventilen für höheren Hydraulikstromverbrauch nicht dargestellt sind.

Die Pumpe 2 fördert Hydraulikflüssigkeit in eine Förderleitung 10 hinein, die sich durch die Ventilanordnung 5 erstreckt und als Eingangsleitung 11 zur Kolben-Zylinder -Einheit 1 weiterführt, deren Ausgangsleitung mit 12 bezeichnet ist. Der in der Förderleitung 10 sich aufbauende Druck wird über eine Steuerleitung 13 und eine Reihe von Drosseln der Rückseite des Ventils 3 zugeführt, die über eine weitere Steuerleitung 14 mit dem Ventil 4 verbunden ist. Über eine weitere Steuerleitung 15 ist eine Verbindung zur Eingangsleitung 11 geschaffen. Auf ^iese Weise liegt am Ventil 4 die Druckdifferenz an, die sich als Druckabfall an der Ventilanordnung 5 zwischen den Leitungen 10 und 11 ergibt. Wenn dieser Druckabfall einen bestimmten Wert von beispielsweise 2 bar übersteigt, öffnet das Ventil 4 und sorgt für eine Einregelung des Steuerdrucks am Ventil 3. Dieses versucht, die eingestellte Druckdifferenz von 2 bar aufrechtzuerhalten, d.h. wenn der Druck in der Leitung 10 gegenüber der Leitung 11 um mehr als 2 bar ansteigt, spricht das Ventil 3 an und entlastet die Leitung 10 dementsprechend. Es wird also ein konstanter Druckabfall an der Ventilanordnung 5 erzeugt.

Die Ventilanordnung 5 stellt eine sogenannte Proportionaldrossel dar, d.h. die Weite ihrer Drosselöffnung 20 hängt proportional von der Größe der zugeführten Sollwert-Steuerspannung U ab, wenn eine gewisse Regelzeit verflossen ist. Im einzelnen kann man dies dadurch erreichen, daß ein Sollwert-Istwert-Vergleicher 21 den von dem Steuergenerator 6 gelieferten Sollwert U mit dem Ist-

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wert der Drosselöffnung 20 vergleicht, der mittels eines Wegabtasters 22 gewonnen wird. Es wird so lange nachgeregelt, bis der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt. In der Praxis wird die Drosselöffnung 20 durch ein Hauptventil gebildet, das über ein Pilot- oder Vorsteuerventil gesteuert wird, was nicht im einzelnen erläutert werden muß.

Wenn man die Drossel 20 zunehmend öffnet_} was durch ein rampenartig ansteigendes Sollwert-Signal U geschehen kann, erhöht sich der Druck in der Leitung 11, und der lineare Verdrängermotor 1 setzt sich in Bewegung. Es wird dabei aber nicht nur der Zylinderraum entsprechend einem Strom Q. vergrößert, sondern wegen der Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit und der Ausdehnung der Komponenten bei steigendem Druck wird gewissermaßen eine hydraulische Kapazität C, mit dem Strom Qp. gefüllt, der aus dem zugeführten Arbeitsstrom Q₁, mitgespeist wird. Das aufgenommene Volumen wird als Kompressionsvolumen V, bezeichnet. Die Kapazität C₁ stellt einen Energiespeicher im Sinne einer gespannten Feder dar und ergibt zusammen mit der anzutreibenden Masse M ein schwingungsfähiges Gebilde. Dieses kann zwar durch eine Bremse, gebildet durch den abgeführten Hydraulikstrom Q₁₂ und das drosselnde Auslaßventil 7, gedämpft werden, jedoch muß auch der Auslaßseite eine Kapazität C₂ zugesprochen werden, die wiederum einen Energiespeicher darstellt, der zu weiterer Schwingungsanregung Anlaß geben kann.

Überraschenderweise ist festgestellt worden, daß die Schwingungsanregung weitgehend vermieden wird, wenn die Sollwert-Steuerspannung U den in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Verlauf hat.

Der Soll\v^Tert-Spannungsgenerator 6 kann zwei Impulsgeneratoren zur Erzeugung des positiven und negativen Impulses sowie einen Rampengenerator enthalten, der gewissermaßen die Bezugsspannung für die Impulsgeneratoren liefert. Es kann sowohl die Impulsbreite als auch Impulshöhe der Impulsgeneratoren als auch die Rampen steilheit und Rampenhöhe des Rampengenerators eingestellt

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-δι werden. Bei wechselnden Anforderungen, wie dies in Druck- und Spritzgießmaschinen der Fall ist, kann ein Mikroprozessor 8 vorgesehen sein, um die Impulsgeneratoren und den Ramp'engenerator entsprechend zu steuern. 5' Auf diese Weise können die physikalischen Größen, die das Kompressionsvolumen V. bestimmen, für jeden Anwendungsfall genau berücksichtigt werden. Ferner kann bestimmt werden, ob zusätzliche Impulse I_Q und I_R aufgeschaltet werden oder ob das Aufschalten eines Impulses gänzlich entfällt, wie dies beim Auslauf bzw. Formschluß der Fall ist.

Fig. 2 stellt eine zeitabhängige Spannungsrampe U dar, der beim Beginn des Rampenanstiegs ein positiver Steuerimpuls I, und am Ende des Rampenanstiegs ein negativer Steuerimpuls I₂ überlagert sind. Die Größe dieses positiven und negativen Steuerimpulses I.. und I₂ hängt von dem jeweiligen Kompressionsvolumen V_k ab, wie nachfolgend erläutert wird.

Wenn der Kolben des Motors 1 eine dem zugeführten Druck p.. ausgesetzte Seite A.. und eine abgewandte Seite A₂ mit dem Druck "P₂ aufweist, kann für die Kräfte die folgende Gleichung aufgestellt werden:

Ms - P₁ . A₁ - p₂ . A₂ - F_R .

Wenn man die Reibkraft F_R und die Gegenkraft G = ^P₂ · A? vernachlässigt, verbleibt als verkürzte Kraftgleichung Ms = P^ . A₁ .

Die Drücke p.., p₂ sind zeitlich nicht konstant, wodurch sich zeitlich ändernde kapazitive Hydraulikströme Q₁ und Qp₂ entsprechend Qp = ρ . C ergeben. Die Geschwindigkeitsgleichung lautet damit:

s =

Ί "1 "1

Wenn sich der zugeführte Druck von einem Anfangswert

P₁ auf einen Endwert p, ändert, ergibt sich das foloc la ie

gende Kompressionsvolumen:

,,.Ζ' _:;!,.^Vk = ⁽Pie - Pia^} - ^C1

und eine verkürzte Kraftgleichung

COPV

Μς - f/p - η ") A

^Ms " ¹Me ^P1a^; * 1 '

Wenn man eine rampenartig ansteigende Geschwindigkeit s_R während der Druckanstiegszeit t_R und damit einen Anfangswert Q₁ und einen Endwert Q₁ des Hydraulik-

la (6

Stroms Q, zugrundelegt, ergibt sich für die Beschleunigung s_R folgendes:

^R ^Q1a ~ ^Q1e ^(p1e " ^ρ^ ' ^A1

^sr t~ ⁼ x; . t_D ⁼ μ

t_R · 1 K

Daraus errechnet sich das Kompressionsvolumen zu:

CQ_1e - Q_1a) . C₁ . M

A, . t_R

Dieses Kompressionsvolumen V. wird gewissermaßen zu Beginn der Rampe aufgeschaltet, d.h. es wird ein Sollwert-Spannungsimpuls I, gegeben, dessen Inhalt diesem Kompressions volumen V₁. entspricht. Zur Berücksichtigung

JtC

der Gegenkraft G und der Reibkraft F_R werden zusätzliche Impulse Ig und I_R aufgeschaltet. Die Größe dieser Impulse Iq und In wird empirisch ermittelt.

Der Spannungsimpuls I^ am Ende der Anstiegsrampe entspricht flächenmäßig dem Impuls I, wie errechnet. Wenn man die Werte M, C₁ und A₁ im Anwendungsfall als maschinengegeben annimmt, hängt die Impulsfläche I₁ bzw. Io nur von der Spannungsdifferenz und der Rampensteilheit der Sollwert-Spannung U ab. Wenn man also zur Verkürzung der Maschinenzykluszeit die Rampensteilheit erhöht, muß man einen umso größeren Impuls I₁ bzw. Ij der Rampe überlagern. Daraus folgt, daß man bei einem zeitlich flachen Rampenteil einen geringen Spannungsimpuls zu überlagern hat, den man in einem solchen Fall auch fortlassen kann, wie in Fig. 3, rechte Diagrammseite, dargestellt.

Die Erfindung ist auch mit Bezug auf Wegrampen anwendbar. Die Größe des Impulses I^ (Fig. 3) kann dabei durch analoge Betrachtungen ermittelt werden, und zwar zu:

	*ha '*	• « * C₁ .	• 0 * M	-10- ■ ^Ks
C τ -■»		V
¹Z

Dabei kennzeichnet K^ das Gefälle der Rampenfunktion U, während die übrigen Symbole die bereits erläuterte Bedeutung haben. Aus Gründen der Darstellung ist jedoch die D-Kurve an der t-Koordinate gespiegelt, d.h. die Werte sind in Wirklichkeit negativ. Am Ende des Rampenabfalls sollte an sich ein positiver Impuls I- stehen. Da jedoch die Geschwindigkeit gegen 0 gehen soll, wird ein solcher Steuerimpuls der Sollwert-Steuerspannung nicht überlagert. Wenn dagegen auf eine endliche Geschwindigkeit heruntergefahren werden soll, wird ein solcher positiver Steuerimpuls I, angewendet.

In Fig. 2 sind die kennzeichnenden Werte des Antriebs für das Anfahren aus dem Stillstand wiedergegeben. Erst wenn sich ein gewisser Druck ρ aufgebaut hat, kommt die anzutreibende Masse in Bewegung. Die Beschleunigung B setzt ein, erreicht bei etwa der Rampen mitte ihren höchsten Wert und sinkt dann auf 0 herab.

'Die Kurve Q₁₁ des Arbeitsstroms folgt mit einer gewissen Verzögerung der Sollwert-Funktion U, ohne jedoch deren Sprünge mitmachen zu können. Die Änderung D des Arbeitsstroms spiegelt den Stoßcharakter der Antriebskräfte besser wieder, wie sich aus dem positiven Zacken D, entsprechend dem Impuls I, und dem negativ gerichteten Zacken D^ entsprechend dem Impuls I₂ ergibt. Es muß als überraschend gelten, daß ein derartiger Impulscharakter Schwingungen des Systems weitgehend unterbindet, während normalerweise Antriebsimpulse zur Schwingungsanregung Anlaß geben.

Während die Sollwert-Funktion U in Fig. 2 als eine Analogfunktion dargestellt ist, ist es auch möglich, die Sollwert-Funktion durch Nadelimpulse nachzubilden und bereitzustellen. Die Sollwert-Funktion kann auch durch digitale Codierung dargeboten werden. In allen diesen Fällen wird die Ventilanordnung 5 so gesteuert, wie es das Analogsignal U in Fig. 2 angibt. In der Ventilanordnung 5 kann anstelle einer

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ξ 1 einfachen Drossel Öffnung 20 auch ein Drosselventil

3 mit zwei Drosselkanten verwendet werden, um beispielswei-

5 se sowohl den zufließenden wie den abfließenden Hydrau-

I likstrom zu beeinflussen. Die Steuerung des dem Motor

I 5· zugeführten Hydraulikstroms braucht im übrigen nicht

j über ein konstantes Druckgefälle zu erfolgen; andere

j Steuerarten sind ebenfalls anwendbar. Wesentlich ist

J es, daß dem Hydraulikstrom zu Beginn eines Rampenan-

\ stiegs - bei seinem Ausgangswert Q₁ - eine positive,

i j 3.

10 stoßartige Volumenstromzunahme D. und am Ende des Rampenanstiegs - nahe dem Endwert Q, - eine negative stoßartige Volumenstromabnahme -D^ überlagert wird, wobei diese Volumenstöße - oder ein Anteil - im Verhältnis zum Kompressionsvolumen V, des Systems stehen. Die

15 stoßartige Volumestromzunahme D₁ spiegelt auch die Existenz der Impulse I_G und In wieder. Der Impuls I^ bzw. das Kompressionsvolumen V, repräsentieren somit nur einen Anteil vom Gesamtinhalt des Volumenstoßes D₁ . Der Impuls I-, und der Volumenstoß D^ entsprechen einan-

20 der. Da die Steigung K der Kurve ν in Fig. 3 bei zunehmendem t gegen Null geht, wird 1. und damit D. ebenfalls Null.

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Leerseite

COPY j

Claims

BLUMBACH . \Λ?Ξ£|Ξ-Ρ£ -IB1UJRJSEN' · KRÄMER ZWfRNER - 'HO=FMAViN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UNO WIESBADEN Patentccnsult RadedcestraCe 43 8000 München 60 Telefon (03?) 38 36 G3/SS 36 04 Telex 05-212313 Telegramme Paiemccr.su.! Patentconsult Sc.inenberger Straße 43 62C0 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex G4-1862J7 Teleg.-a.-nine Paientcorsji: Sperry Vickers Zweigniederlassung der Sperry GnbH Fall 27 Bad Hamburg 1 Patentansprüche

1. J Hydrostatischer oder pneumatischer Antrieb für zu beschleunigende und abzubremsende Massen, insbesondere in Druck- und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen Motor, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung zur Abgabe eines Arbeitsstroms steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung der Ventilanordnung, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwert-Steuergenerator (6) eine weg- oder zeitabhängige Rampe (U) mit einem überlagerten positiven Steuerimpuls Cl-i ) bei Beginn des Rampenanstiegs bzw. am Ende des Rampenabfalls und mit einem überlagerten negativen Steuerimpuls (I₂) ^am Ende des Rampenanstiegs bzw. (I,) am Anfang des Rampenabfalls abgibt, wobei die Größe des positiven und negativen Steuerimpulses in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kompressionsvolumen (V„) gewählt sind.

2. Antrieb nach Anspfuch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren einer r.· .enden Masse dem positiven Steuerimpuls (I-i) zur Berücksichtigung eines GegendrucKs und von Reibkräften weitere Impulse (Ip, I_R) überlagert werden.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. W. Weier Dipl.-Pliys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. COPY I

Wiesbaden: P. G. Bkimbach Dipl.-Ing.· P. Bergen Pro!. Dr. j"ur. Diol.-Ing., Pat.-Ass.. Pat.-Anw. bis 1«79 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-If- Λ

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von auf 0 abzubremsenden Massen der positive Steuerimpuls entfällt.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1-3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert-Steuergenerator (6) einen Impulsgenerator für positive Impulse, einen Impulsgenerator für negative Impulse und einen Rampengenerator umfaßt, deren Werte von außen einstellbar sind.

5. Antrieb nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor zur Steuerung der Impulsgeneratoren und des Rampengenerators vorgesehen ist, wobei dem Mikroprozessor die Werte über den Eingangsstrom am Anfang und Ende der Rampe (Q₁ , Q₁ ) die hydraulische Kapazität (C,), die anzutreibende Masse (M), die Kolbenfläche des Motors (1) und die zeitliche Rampenlänge (t«) bzw. die Steilheit der Rampe (Kg) zuführbar sind.

6. Verfahren zum Betrieb eines hydrostatischen oder pneumatischen Antriebs für zu beschleur.igende und abzubremsende Massen, insbesondere in Druck und Spritzgießmaschinen, mit einem linearen oder rotativen Motor, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle und mit einer Ventilanordnung, deren Durchlaßöffnung zur Abgabe eines Arbeitsstroms steuerbar ist, insbesondere mit einem Sollwert-Steuergenerator zur Steuerung der Ventilanordnung,
dadurch gekennzeichnet , daß die Änderung des Arbeitsstroms (Q₁1 ) von einem Ausgangswert (Q_{1 β}) zu einem Endwert (Q₁ ) wie folgt erfolgt:

zunächst, bei einem Ausgangswert (Q₁ ), erfolgt eine

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stoßartige Volumstromzunahme (D₁) bzw. -abnähme (-D^), je nach dem Vorzeichen der Änderung; dann, im mittleren Bereich, erfolgt eine allmähliche Änderung des Volumenstroms;
schließlich, nahe dem Endwert (Qi₀), erfolgt - je nach dem Vorzeichen der Änderung - eine stoßartige Volumenabnahme (-D₇) bzw. -zunähme;

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wobei ein Anteil der stoßartigen Volmnenstromänderung (Dp -D₂, -D,) in Beziehung zum !Compressionsvolumen ( gewählt ist.